Wetenschap
Sturen op kwantumsimulatie op schaal
Onderzoekers hebben een belangrijke kwantumtoestand gesimuleerd op een van de grootste gerapporteerde schaalniveaus, met steun van het Quantum Computing User Program (QCUP) van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy.
De door het team gebruikte technieken kunnen helpen bij het ontwikkelen van kwantumsimulatiemogelijkheden voor de volgende generatie kwantumcomputers.
Bij het onderzoek werd gebruik gemaakt van de H1-1-computer van Quantinuum om een kwantumversie te modelleren van een klassiek wiskundig model dat bijhoudt hoe een ziekte zich verspreidt. De tijd op de computer werd geleverd door QCUP, onderdeel van de Oak Ridge Leadership Computing Facility, die tijd toekent aan particuliere kwantumprocessors in het hele land ter ondersteuning van onderzoeksprojecten.
Het model gebruikte quantumbits, of qubits, om de overgang tussen actieve toestanden, zoals infectie, en inactieve toestanden, zoals dood of herstel, te simuleren.
"Het doel van deze studie was om te werken aan het opbouwen van mogelijkheden op een kwantumcomputer om dit probleem op te lossen, en andere soortgelijke problemen die moeilijk te berekenen zijn op conventionele computers", zegt Andrew Potter, co-auteur van het onderzoek en assistent-professor in de natuurkunde. aan de Universiteit van British Columbia in Vancouver.
“Dit experiment modelleert de poging om een kwantumsysteem in de richting van een bepaalde toestand te sturen, terwijl het concurreert met de kwantumfluctuaties weg van deze toestand. Er is een overgangspunt waar deze concurrerende effecten precies in evenwicht zijn. Dat punt scheidt een fase waarin de sturing slaagt en waar deze faalt. "
Hoe verder het systeem uit evenwicht raakt, hoe waarschijnlijker het is dat klassieke versies van het model kapot gaan vanwege de omvang en complexiteit van de vergelijkingen. Het onderzoeksteam probeerde quantum computing te gebruiken om deze dynamiek te modelleren.
Klassieke computers slaan informatie op in bits gelijk aan 0 of 1. Met andere woorden:een klassiek bit, zoals een lichtschakelaar, bestaat in twee toestanden:aan of uit. Die binaire dynamiek past niet noodzakelijkerwijs in het modelleren van overgangstoestanden zoals die bestudeerd in het ziektemodel.
Quantum computing maakt gebruik van de wetten van de kwantummechanica om informatie op te slaan in qubits, het kwantumequivalent van bits. Qubits kunnen tegelijkertijd in meer dan één toestand bestaan via kwantumsuperpositie, waardoor qubits meer informatie kunnen bevatten dan klassieke bits.
Bij kwantumsuperpositie kan een qubit tegelijkertijd in twee toestanden bestaan, vergelijkbaar met een draaiende munt:noch kop noch munt voor de munt, noch de ene noch de andere frequentie voor de qubit. Het meten van de waarde van de qubit bepaalt de waarschijnlijkheid dat een van de twee mogelijke waarden wordt gemeten, vergelijkbaar met het stoppen van de munt op kop of munt. Die dynamiek maakt een breder scala aan mogelijke waarden mogelijk die kunnen worden gebruikt om complexe kwesties zoals overgangstoestanden te bestuderen.
Onderzoekers hopen dat deze mogelijkheden een kwantumrevolutie zullen veroorzaken waarbij kwantumcomputers de klassieke machines zullen overtreffen in snelheid en kracht. De qubits die door de huidige kwantummachines worden gebruikt, hebben echter de neiging gemakkelijk te degraderen. Dat verval veroorzaakt hoge foutenpercentages die de resultaten van elk model dat groter is dan een testprobleem kunnen vertroebelen.
Potter en zijn collega's verkregen tijd via QCUP op de Quantinuum-computer, die gevangen ionen als qubits gebruikt. Ze maten tijdens de run circuits, of kwantumpoorten, en gebruikten een techniek die bekend staat als qubit-recycling om gedegradeerde qubits te elimineren.
"We hebben de kwantumprocessor gebruikt om een systeem te simuleren waarin actieve qubits de mogelijkheid hebben om aangrenzende qubits te activeren of inactief te worden", aldus Potter. “Door het systeem bij elke stap in realtime te monitoren en gaandeweg te testen, kunnen we de waarschijnlijkheid detecteren dat het uitvoeren van een kwantumpoort op een qubit de toestand van een qubit zou kunnen beïnvloeden en, zo niet, deze uit de berekening verwijderen. Op deze manier vermijden we de kans dat er fouten binnensluipen."
Het team besloot dat ze hun aanpak op twintig qubits konden gebruiken om fouten binnen de perken te houden en een kwantumsysteem te simuleren dat bijna vier keer zo groot was. Ze schatten dat hun aanpak op 70 qubits de capaciteiten van een klassieke computer zou kunnen evenaren of zelfs overtreffen.
"Dit is de eerste keer dat deze aanpak wordt gebruikt voor een systeem van deze omvang", aldus Potter.
De volgende stappen omvatten het toepassen van qubit-recycling op kwantumproblemen, zoals het simuleren van de eigenschappen van materialen en het berekenen van hun laagste energietoestanden of kwantumgrondtoestanden.
Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics .